11168Безопасная эксплуатация водяных нагревателей воздуха зимой в системах вентиляции

Традиционно при обсуждении сезонных проблем, стоящих при эксплуатации вентиляционных установок, поднимается вопрос нехватки холода летом в аварийных ситуаций “разморозки”калориферов зимой. Способы решения данной проблемы постоянно пополняются новыми путями, однако при выборе любого решения необходимо четкознать причины “разморозки” и основные факторы, влияющие на него.

 

Разрушение калорифера льдом и водой

Разрушение калорифера (рис. 1-5) может происходить двумя способами. Первый и самый очевидный - прямой разрыв трубок, коллекторов или коллекторных крышек льдом при замерзании воды. Второй способ менне очевидный — это разрушение элементов калорифера давлением воды, вытесняемой льдом из уже замерзших участков участков калорифера. Разрушение калорифера во втором слчае происходит не сразу, а после достижения определенного давления воды, вытесненной льдом. Из-за такой последовательности могут происходить удивительные вещи — прихватило только только нижнюю часть калорифера, а разрывы “калачей” видны вверху, просто там они оказались тоньше (а как известно, “где тонко — там и рвется”).

Давление воды при разрушении составляет 50-200 атм, причем этот показатель меньше для стали, и больше — для медных трубок. В стандартах на медные трубы для климатического оборудования CUPROCLIMA есть норматив, регламентирующий давление разрушения трубок даже для самых тонких (0,35-0,4 мм) это значение составлет не менее 80-100 атм. Для трубок диаметром 12 мм столщиной стенки 0,5мм давление разрушения — более 150 атм. Разрушение “калачей” на рис. 1 вызваны именно таким способом.

Второй способ “разморозки” намного безопаснее первого, т. к. сами трубки сохраняются, арозорванные “калачи” легкодоступны и подлежат ремонту.

Важно, что разные типы калориферов склонны размораживаться приемущественно по одному способу, хотя есть случаи когда реализуются одновременно оба способа.

Калориферы со стальными и медными трубками

В оборудовании вентиляции используются пренципиально отличные две конструкции калориферов, известные со времен СССР:

  • так называемые КСК со стальными ВНВ-113, реже нержавеющими ВНВ-123, совсем редко ВНВ-143 с медными трубками;

  • и наиболее современные и популярные в наше время медно-алюминиевые импортного и отечественного производства ВНВ-243.

Калориферы ВНВ-243 всегда построены на медных трубках и имеют возможность свободного выбора шага оребрения ± 0,1мм. Старые нагреватели ВНВ-113, наоборот не имеют возможности свободно определять шаг оребрения из-за конструкции трубок с накатным оребрением.

Индексация ВНВ-XYZ принята ГОСТ и не привязана к какой-то конкретной фирме, здесь например Х — тип конструкции, 1 — спирально оребрение трубы или 2 — пакет пластин на пучке трубок. Параметры Y и Z — материалы трубок и пластин, очевидно что Y — 3 — это алюминий. Различия между старой конструкцией ВНВ-113 и новой ВНВ-243 состоят в тепловой инертности, способие распредиления теплоносителяи вариантности набора конструктивных решений, обеспечивающего минимальный запас поверхности нагрева.

Конструкции ВНВ-243 склонныразмораживаться по второму спсобу.

ВНВ-113 — преимущественно по первому. Причина такой склонности связана с меньшими относительными объемами и большей упругостю трубок у ВНВ-243.

Тепловая инерционность

Конструкция всех калориферов основана на стальных или медных трубках с толщиной стенок от 0,25 до 2,0 мм и алюминиевым оребрением толщиной от 0,1 до 0,5 мм. Не беря в расчет разницу плотности стали и меди, получается, что при равной тепловой отдачи масса может отличаться в 4-8 раз. Данный параметр никогда не рассматриваетсяпри разработке систем управления и защиты, однако именновысокая тепловая инертностьстаринных КСК типа 113 и 123 позволяет безболезнено применять очень грубые способы типа «дядя Ваня подкрутит вручную» или регулирование теплоносителя клапаном прямого действия по температуре воздухаили жидкости на выходе системы прямого действия. Указанные способы применяются на сверхинертных системах типа обычного водяного отопления, но категорически неприменимы для прямоточной вентиляции, осбенно построенной на изделиях типа ВНВ-243.

Итак для обеспичения надежности необходима дополнительная тепловая инерция, которую при желании можно увеличить в несколько раз. Каким образом? Выбор сечения и длины трубопроводов циркуляционного кольца принудительного подмеса определяет массу дополнительного, инертного аккумулятора тепла. Более протяженный контур с переразмеренным сечением трубы дает дополнительный выигрыш 30-300%.

Пример. Калорифер массой 17кг и объемом 4,0л ВНВ-243-078-050-02-2,5-04 рассчитандля нагрева 5000 м/ч. Время остывания от +90 до 0°С при потоке -30°С составляет 60-80 с. Однако емкость контура обвязки сечением Ду=32мм (0,8 л/м) составляет примерно 8л, и масса трубопровода вместе с арматурой и насосом не менее 50 кг. Итого время остывания увеличивается в 2,5-3 раза. Для системы управления данный выигрыш времени означает спокойный выход в стояночный режим или возможность корректировки параметров теплоносителя. Быстродействие большинства исполнительных устройств сервоприводов — 10-100 с (ну не ракетой же мы управляем). Вот почему важно учитывать тепловую инерционность.

Точность подбора

Данный фактор влияет на «разморозку» сильнее всего. Калориферы — в принципе достаточно «жесткие» обьекты управления и плохо поддаются значительному изменению характеристик под конкретную задачу. При наличии узкого выбора конструкций приходится, наоборот, подгонять задачу под калорифер, т. е. уменьшать или увеличивать расход или температуру воздуха в ситсеме.

Главное заблуждение здесь состоитв допустимости выбора калорифера с запасом в 10-20%. Данное правило использовалось в СССР только от безысходности, когда не было ничего кроме20 вариантов на весь диапазон от 1000 до 30 тыс. м/ч и на все виды тепловых режимов. С приходом технологии ВНВ-243 стандартный выбор идет с шагом до 5% а при необходимост до 2%. Главная опасность выбора с большим запасом состоит в неустойчивом регулировании калорифера при малых нагрузках от -5 до -1°С. Происходящий перегрев воздуха заставляет понижать теплоноситель в «обратке» практически до 0°С со всемы вытекающими последствиями.

Запас мощности, столь желаемый проектировщиками, может быть реализован не в квадратных метрах поверхности, а в большей пропускной способности по гидравлике с одновременной линейной зависимостью тепловой отдачи от расхода. Не секрет, что увеличение в два раза расхода теплоносителя на обычной батарее отопления не ведет к двукратному увеличению тепловой отдачи, но для калориферов такой подбор возможен. Благодаря такому запасу при равной поверхности меняется коэфициент теплопередачи за счет роста скорости жидкости, т. е. увеличении расхода. Этот способ проектирования возможен только при моделировании задачи в стандартной программе расчета. К сожалению, для использования подобные методы конструкции ВНВ-113 не приспособлены, в отличие от ВНВ-243.

Способы управления

Основные способы управления хорошо известны, но аргументы при их выборе не всегда разумны с точки зрения «разморозки».

Двхходовой клапан для незначительной регулировки расхода — самый дешевый и самый ненадежный способ управления. Главный недостаток — риск полной остановки теплоностителя в трубках, после чего только чудо и тепловая инерционность спасают калорифер.

Трехходовой клапан — более разумное решение, т,к применяется обычно только в замкнутых системах с очень четким регулированием, однако риск полной остановки теплоностиеля сохраняется. При использовании того способа нужно понимать, что контроль обратной температуры теплоносителя уже невозможен, и в стоянке необходимо принудительно открывать клапан.

Комбинация двух- и трехходовых клапанов с насосами подмеса — практически идеальные схемы (рис.6), наиболее полно защищающие калорифер. В идеаленасосы насосы должны быть с регуляторами скорости, ступенчатыми или плавными. Переход на более высокую скорость позволяет незначительно поднять мощность калорифера при одинаковой температуре теплоносителя.

Управление с обводным каналом — самая редкая и самая простая схема. Полно отсутствие насоса и клапана по воде резко снижает риск выхода их из строя и удешевляет саму обвязку. Регулирование за счет изменения потока воздуха через калорифер характерезуется достаточной точностью. Недостаток такде есть — это возможный перегрев воздуха при недостаточном сечении обводного клапана и невозможность применения в условиях строго графика обратной воды.

Сливаемость

О том, что означает это слово, обычно узнают уже после «разморозки», а смысл прост: вода должна без проблем и ухищренный сливаться из калорифера за малое время (около 60с), при открытии сливного крана и воздушника. Наличие самих кранов для слива и спуска не обсуждается, но оказывается, конструкция может иметь “мертвые петли”, в которых теплоноситель остается как в ловушке. Вариант “перевернуть и потрясти” невозможен. Продувка сжатым воздухом, заливка в обьем незамерзающих жидкостей на время стоянки, особенно для охладителей, - вот на что приходится идти. Решение здесь только одно — строгое требование к поставщику и проверка при получении полной сливаемости конструкции. Важно, что большинство калориферов стандартно рассчитаны для работы в вертикальном положении и несливаемы в горизонтальном. Горизонтально ориентированные калориферы имееют абсолютно другое конструктивное исполнение.

Неравномерная скорость во фронте

Эта проблема скорее исключение из правил, но, к сожалению, очень трудно исправляется. Простейший пример — вентилятор дует в калорифер. Есть “пятно” с высокой тепловой нагрузкой и края, где нет потока — такой нагреватель “не жилец”. Другой пример, наоборот, сильное загрязнение фильтров в одной частии свободный проход в другой части фронта фильтр-секции. Аналогичная проблема характернадля смесительных секций где смешиваются потоки уличного и рециркуляционного воздуха. Полного смещения на длине в 50100 см достичь невозможно. Для снятия данного фактора необходимо, чтобы поток воздухапо всему фронту калорифера был равномерный как по скорости, так и по температуре. Очень простым и удобным способом диагностики данной проблемы, как и закупорки трубок, является ИК-пирометр, мгновенно показывающий температуру фронта калорифера на действующей установке, проблема только, ка «заглянуть» внутрь действующей сустановки.

Закупорка прохода трубок

Кроме механического фильтра, улавливающего частицы из теплоностителя, обычно ничего другого не используют, а зря. Во-первых, сами фильтры бывают разные — грубые и тонкие, кроме того, их зачастую ставят уже после калорифера, защищая только клапан и насос.

Первая проблема — корозия поверхности трубок с зарастанием сечения, для калориферов 113 это просто бич поэтому их ресурс составляет всего три года, у медных же трубок качества М1 коррозии не наблюдается даже через 20 лет.

Вторая проблема — ил, который не держит ни один механический фильтр. За 2-3 года этот самый ил собирается в нижней части любого крупного калорифера, как в отстойнике. Решение только одно — регулярная промывка, можно гидравлическим ударом.

Проблема третья — сечение самих трубок, которые бывают от 10 до 20 мм. Логично предложить, что риск застрять кусочку окалины в трубке 9,5 мм много выше чем 12,0 мм, однако при заказе оборудования это никогда не учитывается.

Последний и самый главный фактор — чем выше скорость, тем лучше, однако для ВНВ-113 - 0,3-0,5 м/с, а для ВНВ-243 — 0,8-2,0 м/с. Итак высокая скорость теплоносителя это всегда хорошо для постоянной самоочистки калорифера.

Стояночный режим

Основная доля «разморозок» происходит во время остановки системы. Полной гермитичности воздушных клапанов уличного воздуха обычно не бывает, исключение составляют только специальные клапаны. Остывание внутреннего объема установки вместе с калорифером, особенно при низких ночных температурах, происходит в течении 1-2 ч.

Обязательным условием при остывании калорифера во время чтоянки становится его постоянный или периодический приогрев. При наличии требований к ограничению температуры обратного теплоносителя, а также при расположении чувствительных к высокой температуре элементов приточной установки близко к калориферу постоянная неприрывная подача теплоносителя невозможна.

Решений пролемы несколько, в т.ч. электронагрев нижне зоны калорифера, принудительное открытие секций перед нагревателем для прогрева воздухом из помещения и использование переодического прогрева. Схема управления прогревом проста: необходимо открывать подачу теплоносителя автоматически до повышения температуры обратного теплоносителя или воздуха рядом с калорифером до заданного порога, после чего подача прекращается.

Человеческий фактор

Перечисленные выше факторы — отнюдь не полный список проблем. Любая из них может быть снята или наоборот создана на стадии монтажа и обслуживания при условии высокой квалификации персонала. К большому сожалению, просчеты, забывчивость и неграмотность способны привести изначально работоспособную систему в полную негодность. Самые элементарные понятия о факторах, влияющих на «разморозку», должны преподаваться персоналу как азбука.

Абсолютное решение

После прочтения выше приведенных тезисов может сложиться мнение, что с вероятностью 100% «разморозка» случится на любой системе и необходимо соответственно 100% надежное решение.

Такие решения в принципе известны: прямой электронагрев воздуха ТЭНами (рис. 7) — небезопасный вариант по пожаро- и взрывоопасности, при этом и ресурс самих ТЭНов довольно низок. Резерв по подводимым мощностям электроэнергии очень резко ограничен и не может быть наращен принципиально из-за лимита на нагрузки, также существует определенный запрет на использование электроэнергии на нужды отопления. Использование незамерзающего теплоносителя типа этиленгликоля или менее ядовитого пропиленгликоля также является таким абсолютным решением, однако с очень высокой стоимостью и постоянным риском утечки самого теплоносителя, иногда под влиянием человеческого фактора. Также применяется принудительное повышение температуры воздуха до 0°С, за счет рециркуляции до 50%, однако это решение ведет к увеличению расхода вентилятора и неприменимо для больших установок и для систем, смонтированных на улице.

Абсолютно новое решение для проблемы “разморозки” реализовано на заводе “Веза” и после двухлетних испытаний в специальной лаборатории запатентовано в Роспатенте как изделие НТО-243 по заявке 2004115321/06 (016625).

Неразмораживаемый теплообменник НТО-243 — это модификация стандартного ВНВ-243, в котором реализован механизм леквидации второго способа «разморозки». Аналогично стандартным калориферам, НТО-243 может быть прихвачен морозом и даже полность превратиться в кусок льда, однако это не повлечет разрыва трубок. Все избыточное давление воды, возникающее при появлении льда, отводится специальной системой в основную магистраль, к которой присоединен калорифер. Объем воды, который должен быть удален из калорифера, спокойно переходит во внешнюю гидравлическую систему. Аналогичное решение используется в испарительных холодильных машин типа «Альфа-Лаваль», где есть риск взрыва теплоообменника.

После оттаивания НТО-243 востанавливает свои характеристики и продолжает работать в прежнем режиме. Ограничений по числу циклов заморозки/оттаивания нет, но злоупотреблять этим не стоит.

Серийное призводство НТО-243 невозможно из-за сложности конструкции: однако до 100 заказов в месяц завод «Веза» выполнить не может. В данное время поставка НТО-243 по заказам предусмотрена для комплектации «северных кондиционеров» КЦКП-С.

 

Источник: veza.ru